基于電子鼻技術(shù)的附子 （黑順片） 等級(jí)及產(chǎn)地的區(qū)分研究

汪云偉, 鐘 戀, 譚茂蘭, 楊詩(shī)龍, 萬(wàn) 軍, 黃勤挽*

（1.成都中醫(yī)藥大學(xué), 四川 成都 611137； 2.西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院, 四川 成都 610031）

基于電子鼻技術(shù)的附子 （黑順片） 等級(jí)及產(chǎn)地的區(qū)分研究

汪云偉1, 鐘 戀1, 譚茂蘭1, 楊詩(shī)龍1, 萬(wàn) 軍2, 黃勤挽1*

（1.成都中醫(yī)藥大學(xué), 四川 成都 611137； 2.西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院, 四川 成都 610031）

目的 建立氣味指紋圖譜， 探索區(qū)分黑順片產(chǎn)地以及等級(jí)的有效方法。 方法 采用電子鼻技術(shù)對(duì) 20批黑順片進(jìn)行檢測(cè)， 獲得電子鼻在傳感器的響應(yīng)值， 并利用主成分分析 （PCA）、 判別因子分析 （DFA） 對(duì)響應(yīng)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 結(jié)果 經(jīng) PCA分析， 20 批黑順片樣品能明顯區(qū)分開(kāi)， DFA分析能區(qū)分黑順片產(chǎn)地以及等級(jí)。 結(jié)論 采用電子鼻技術(shù)建立了黑順片氣味識(shí)別方法，該方法可以用于產(chǎn)地和等級(jí)的區(qū)分，為中藥的快速鑒別及氣味的客觀化提供借鑒。

電子鼻;黑順片;氣味;識(shí)別方法;鑒別

中 藥 附 子 為 毛 茛 科 植 物 烏 頭 Aconitum carmichaelii Debx.的子根的加工品， 具有回陽(yáng)救逆，補(bǔ)火助陽(yáng)， 散寒止痛的功效［1］。 古本草記載， 附子的種植已有上百年歷史，種植戶(hù)在利益的驅(qū)動(dòng)下，不規(guī)范栽培加工，再加上各地廣泛引種，導(dǎo)致流通于市場(chǎng)上的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。傳統(tǒng)鑒別主要采用鼻聞口嘗的方法，但因個(gè)人感官性太強(qiáng)，缺乏準(zhǔn)確性以及客觀性。 《中國(guó)藥典》 2010 年版對(duì)于黑順片的鑒別也只是對(duì)其性狀和薄層進(jìn)行了規(guī)定，而對(duì)于其產(chǎn)地的鑒別以及等級(jí)的劃分，藥典方法并不能實(shí)現(xiàn)。因此，探尋一種能迅速鑒別黑順片的方法是很有必要的。

電子鼻又稱(chēng)氣味指紋圖譜分析儀，是由多個(gè)性能彼此重疊的氣敏傳感器和適當(dāng)?shù)哪Ｊ椒诸?lèi)方法組成的具有識(shí)別單一和復(fù)雜氣體能力的裝置［2］。 其原理是通過(guò)模仿生物的嗅覺(jué)機(jī)能來(lái)對(duì)樣品的氣味進(jìn)行整體特征分析，具有類(lèi)似人體 “鼻子” 的功能。由于其避免了樣品檢測(cè)中的人為主觀因素，并且樣品的前處理過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單、檢測(cè)靈敏度高、速度快， 被廣 泛 用 于 食 品［3-5］、環(huán) 境［6］等 監(jiān) 測(cè)。 同 樣，在中藥的傳統(tǒng)鑒別［7］以及質(zhì)量控制方面，電子鼻也發(fā)揮著巨大作用，并有利于實(shí)現(xiàn)中藥性狀氣味客觀化表達(dá)［8］。

電子鼻技術(shù)用于中藥的氣味辨識(shí)尤以芳香類(lèi)中藥為主，但在氣味不明顯的中藥中也有應(yīng)用，如日本學(xué)者御影雅幸［9］采用氣味傳感器成功地區(qū)分了人體嗅覺(jué)難以鑒別的白色無(wú)臭的龍骨、牡蠣、茯苓粉末; 萬(wàn)軍等［10］采用電子鼻技術(shù)研究了天麻藥材-飲片-浸膏-配方顆粒這一制備過(guò)程中氣味的變化與相關(guān)性。 《中國(guó)藥典》 2010 年版黑順片性狀項(xiàng)下的氣味以感官描述為 “氣微”， 很難從氣味將其識(shí)別，并且具有人為主觀性和模糊性。所以，本研究擬以黑順片為研究對(duì)象，利用具有檢測(cè)靈敏度高的電子鼻對(duì)其氣味進(jìn)行模式識(shí)別，建立檢測(cè)方法，檢測(cè)不同產(chǎn)地以及等級(jí)黑順片的氣味變化，以實(shí)現(xiàn)黑順片氣味特征的客觀化，為中藥氣味識(shí)別提供新的方法，也為中藥產(chǎn)地鑒別以及等級(jí)劃分提供新的思路及參考。

1 材料與方法

1.1 材料 由于市場(chǎng)上流通的主流產(chǎn)品為黑順片，因此課題組實(shí)地調(diào)研采購(gòu) 3個(gè)產(chǎn)區(qū)的 20份樣品，見(jiàn)表1。所有樣品經(jīng)成都中醫(yī)藥大學(xué)中藥標(biāo)本中心盧先明教授鑒 定為毛 茛 科植物烏頭 Aconitum carmichaelii Debx.的子根的加工品。

表1 黑順片樣品來(lái)源Tab.1 Origin of Heishunpian

1.2 儀器 αFOX 4000 傳感器陣列系統(tǒng)、 18 金屬氧化物傳感器、 HS-100 自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng) （均為法國(guó)Alpha M.O.S.公司）， 儀器配有空氣發(fā)生器; HX-200 型高速中藥粉碎機(jī) （浙江省永康市溪岸五金藥具廠(chǎng)）。

1.3 樣品處理與數(shù)據(jù)分析 粉碎黑順片， 混勻，過(guò)三號(hào)篩。 稱(chēng)取黑順片粉末 1.0 g裝入 10 mL進(jìn)樣瓶中，加蓋密封，電子鼻檢測(cè)，每個(gè)樣品重復(fù)3次， 采用分析軟件對(duì)其進(jìn)行主成分 （PCA）、 判別因子 （DFA）等分析。

2 結(jié)果

2.1 檢測(cè)條件的選擇 原始樣品的響應(yīng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于各傳感器的相對(duì)電阻變化率，檢測(cè)條件的優(yōu)化是盡可能使樣品的響應(yīng)曲線(xiàn)處于 0.3 ～0.8 之間， 可以通過(guò)樣品裝樣量、樣品注射體積、孵化溫度以及注射器溫度來(lái)調(diào)節(jié)。圖1為某一樣品的原始曲線(xiàn)圖。因此，最終獲取的電子鼻操作參數(shù)為載氣:合成干燥空氣， 空氣發(fā)生器供給; 體積流量 150 mL/min; 孵化溫度 55 ℃; 孵化時(shí)間 300 s; 注射器溫度 60 ℃; 注射體積 2 000 μL; 獲取時(shí)間120 s; 沖洗時(shí)間 120 s; 延滯時(shí)間 600 s。

2.2 不同附片 （黑順片） 樣品響應(yīng)值分析 圖 2為 20 批黑順片樣品雷達(dá)圖。 18 根傳感器對(duì) 20 批樣品的信號(hào)響應(yīng)差異不是很大， 傳感器 LY2/LG，LY2/G， LY2/AA， LY2/gCTL， PA/2， P30/2 響應(yīng)值的差異比較明顯 （表 2）。 各樣品在氣味組成上比較一致， 其中 s12、s14、 s15 號(hào)樣品與其他樣品差距較大。直接用雷達(dá)圖對(duì)不同黑順片區(qū)分的準(zhǔn)確性比較差，需用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行處理。

圖1 電子鼻檢測(cè)黑順片響應(yīng)曲線(xiàn)圖Fig.1 Response curve of Heishunpian detected by E-nose

圖2 黑順片樣品的雷達(dá)圖Fig.2 Radar map of Heishunpian

2.3 PCA分析 PCA原理是設(shè)法將原來(lái)變量重新組合成一組新的互相無(wú)關(guān)的幾個(gè)綜合變量，同時(shí)根據(jù)實(shí)際需要從中可以取出幾個(gè)較少的綜合變量盡可能多地反映原來(lái)變量的信息的統(tǒng)計(jì)方法，也是一個(gè)降維過(guò)程。 由圖 3 可見(jiàn)， 判別指數(shù) DI為 96， 各個(gè)樣品的差異在 PCA上能得到較好的區(qū)分，并且其差異主要表現(xiàn)在信息權(quán)重為 82.839%的橫軸上。樣品 13、 15、 16 與其他樣品距離較大; 而樣品 1、2、 3和4產(chǎn)地均為四川江油， 自采后委托新荷花進(jìn)行加工而成，所以氣味相近，聚為一類(lèi);樣品17、 18、 19、20 氣味差別較小， 聚為一類(lèi)，與其產(chǎn)地同為陜西漢中一致。 雖然 PCA分析可以將各個(gè)樣品進(jìn)行區(qū)分，但是并不能有效地區(qū)分樣品產(chǎn)地以及等級(jí)。

圖3 黑順片樣品的 PCA分析Fig.3 PCA of Heishunpian

2.4 DFA分析 DFA是構(gòu)建模型、 并識(shí)別未知試樣的一種算法。DFA通過(guò)數(shù)學(xué)變換， 能夠使不同類(lèi)組群數(shù)據(jù)間的差異盡可能擴(kuò)大，而同類(lèi)組群數(shù)據(jù)間的差異盡可能縮小，以建立更好識(shí)別的數(shù)據(jù)模型。 DFA在評(píng)價(jià)樣品的相似性方面比不上PCA， 但是在區(qū)分樣品的差異性方面顯示了其優(yōu)越性。

表 2 傳感器 LY2/LG、 LY2/G、 LY2/AA、 LY2/gCTL、 PA/2 及 P30/2 的響應(yīng)值Tab.2 Response values of sensor LY2/LG， LY2/G， LY2/AA， LY2/gCTL， PA/2 and P30/2

2.4.1 不同產(chǎn)地黑順片的鑒別分析 按產(chǎn)地將黑順片分為3類(lèi)，即四川江油、陜西漢中以及四川布拖。 20 批黑順片樣品數(shù)據(jù)的 DFA如圖 4。 圖中橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于第一判別函數(shù)，縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于第二判別函數(shù)， 第一判 別 函 數(shù) 的累積判別 效 率 DF1 為95.516%， 表明使用第一判別函數(shù)即可區(qū)分三個(gè)產(chǎn)地的黑順片。由圖4可知，四川江油、四川布拖以及陜西漢中三個(gè)產(chǎn)地樣品的 DFA分析沒(méi)有重疊，表明該模型可以用于黑順片的產(chǎn)地鑒別。

圖4 不同產(chǎn)地黑順片樣品數(shù)據(jù)的 DFA分析Fig.4 DFA of Heishunpian of differen t origins

2.4.2 不同等級(jí)黑順片的區(qū)分 按企業(yè)提供的等級(jí)將黑順片分為江油一等、江油二等、江油統(tǒng)貨以及漢中一等、 漢中統(tǒng)貨， 黑順片樣品的 DFA分析如圖 5、 圖 6。 如圖 5 所示， 在陜西漢中黑順片DFA分析中， DF1 為 100%， 表明采用第一判別函數(shù)即 能 完 全 區(qū) 分 其 等 級(jí); 圖 6 中， DF1 為83.722%，也能對(duì)四川江油黑順片的三個(gè)等級(jí)進(jìn)行有效區(qū)分。

圖5 陜西漢中不同等級(jí)黑順片樣品數(shù)據(jù)的 DFA分析Fig.5 DFA of Heishunpian of different grades in Hanzhong City， Shanxi Province

圖6 四川江油不同等級(jí)黑順片樣品數(shù)據(jù)的 DFA分析Fig.6 DFA of Heishunpian of different grades in Jiangyou City， Sichuan Province

3 結(jié)論與討論

中藥具有的氣味是評(píng)價(jià)其質(zhì)量好壞的主要依據(jù)之一， 也是其真?zhèn)渭爱a(chǎn)地鑒別的重要依據(jù)［11］。 現(xiàn)代技術(shù)如 TLC、 HPLC、 GC以及 GC-MS 等在中藥的鑒別以及質(zhì)量控制中發(fā)揮巨大作用，但是樣品前處理過(guò)程復(fù)雜、費(fèi)用高昂、污染環(huán)境，這些技術(shù)往往針對(duì)單一成分或幾類(lèi)成分的定性、定量研究。與之相比，電子鼻技術(shù)在分析樣品時(shí)，過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，分析速度快， 并且是對(duì)樣品 “氣味” 的整體性研究。所以，電子鼻技術(shù)可以用于中藥的鑒別以及品質(zhì)評(píng)價(jià)。

指紋圖譜是目前控制中藥材質(zhì)量最有效和最直觀的手段之一［12］。 課題組前期曾對(duì)黑順片進(jìn)行了指紋圖譜研究，發(fā)現(xiàn)各個(gè)產(chǎn)地和等級(jí)黑順片的液相色譜圖相似度很高，不能區(qū)分其產(chǎn)地和等級(jí)。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)電子鼻技術(shù)， 并采用主成分分析 （PCA） 以及判別因子分析 （DFA） 對(duì)黑順片進(jìn)行 “氣味”綜合研究，可以得出:PCA能有效區(qū)分各個(gè)黑順片樣品， DFA在樣品產(chǎn)地的區(qū)分以及等級(jí)的劃分上優(yōu)于 PCA。

前期研究［13］發(fā)現(xiàn)， 20 批黑順片雙酯型生物堿均符合 《中國(guó)藥典》 規(guī)定， 而江油附子加工的黑順片單酯型生物堿含有量普遍高于其他產(chǎn)地黑順片單酯型生物堿含有量。所以，認(rèn)為在不同產(chǎn)地和等級(jí)的黑順片質(zhì)量評(píng)價(jià)中，優(yōu)先考慮產(chǎn)地因素。江油附子為公認(rèn)的道地藥材， 但是有學(xué)者［14］實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)江油附子的生產(chǎn)成本高、產(chǎn)量小，出現(xiàn)很多外地附子運(yùn)到江油加工的現(xiàn)象，以及膽巴殘留的問(wèn)題。本課題組在后續(xù)的工作中還將針對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)題運(yùn)用智能感官技術(shù)結(jié)合內(nèi)在質(zhì)量指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)研究。

［ 1 ］ 國(guó)家藥典委員會(huì).中華人民共和國(guó)藥典:2010 年版一部［S］.北京: 中國(guó)醫(yī)藥科技出版社， 2010:177-178.

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The study of distinction about grade and producing areas of Aconti lateralis Radix praeparata （ Heishunpian） based on electronic nose

WANG Yun-wei1， ZHONG Lian1， TAN Mao-lan1， YANG Shi-long1， WAN Jun2， HUANG Qin-wan1*
（1.Chengdu University of Traditional ChineseMedicine， Chengdu 611137， China;2.Life Science&Engineering Collegeof Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

AIM To establish an odor fingerprintmap， and to explore the effectivemethod to distinguish the producing areas and grade of Heishunpian.METHODS Using electronic nose technology to test 20 batches of Heishunpian， then obtain the sponse values from the sensor， and the data was processed through principal component analysis（PCA），discriminant factor analysis（ DFA）.RESULTS Twenty batches of Heishunpian samples could be obviously distinguished by PCA， DFA also could distinguish the producing areas and grade.CONCLUSION An odor identification method isestablished using electronic nose technology， and thismethod can be used for distinguishing the producing areas and grade， thus it provides references for the rapid identification of traditional Chinesemedicines.

electronic nose;Heishunpian;odor;identification method;identify

R282.5

:A

1001-1528（2014）12-2565-05

10.3969/j.issn.1001-1528.2014.12.027

2013-11-21

國(guó)家自然科學(xué)基金 （81274086）; 四川省科技廳支撐計(jì)劃 （2013SZ0140）; 四川省中醫(yī)藥管理局課題 （2010-12）

汪云偉 （1988—）， 男， 碩士生， 研究方向: 中藥炮制和制劑。 Tel:13438020746， E-mail:willin3699@163.com

*通信作者: 黃勤挽， 副教授， 碩士生導(dǎo)師， 研究方向: 中藥炮制和制劑。 Tel: （028） 61801001， E-mail:36190587@qq.com